JP5150789B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的な反応により発電を行う燃料電池システムに関する。
近年、発電システムの新たな形態として、燃料電池システムが提案されている。燃料電池システムは、小容量分散発電が容易であり各施設での自家発電装置に適し、NOxやSOxなどの有害物質を発生させることがなく、低騒音であり寒冷地方でも適用可能といった、様々のメリットを有している。
このような燃料電池システム１の構成としては、例えば特許文献１に開示されているものがある。具体的に説明すると、特許文献１の燃料電池システムは、燃料電池本体の他、燃料ガス生成装置、空気供給部（空気ブロワ）、電力変換装置（インバータ）、熱回収装置などを備えている。このうち燃料ガス生成装置は、原料ガスである天然ガスなどから水素ガスを生成し、空気供給部は、燃料電池へ酸素を供給する。燃料電池は、これら水素ガス及び酸素の電気化学的な反応によって発電を行う。また、電力変換装置は、燃料電池で生成した電気エネルギーを、商用電力系統と同じ電圧及び周波数に変換するものであり、熱回収装置は、具備する熱交換器によって燃料電池や燃料ガス生成装置で発生する熱を回収し、他の排熱利用外部機器に供給するものである。なお、この特許文献１は、空気供給部によって空気を導入する際、その空気により、空気供給部を駆動する電動機を冷却することについて教示している。
ところで、燃料電池システムを寒冷地で使用した場合、システム内で使用される水（例えば、電池スタック内の水）が凍結してしまう可能性がある。より具体的に説明すると、燃料電池システムは、その発電に必要な空気を筐体の外部から取り入れる必要がある。また、外部から取り入れた空気によって、燃料電池システムの筐体内を換気する場合がある。また、家庭で使用する電気やお湯を燃料電池システムにて発生させる電力やお湯で賄おうとすると、システムを長時間連続運転しなければならず、システムの耐用年数が短くなる。そのため、電力及びお湯の使用量が少ない夜間には燃料電池システムを停止させておき、家庭での電力及びお湯の使用量が増加しはじめる早朝に起動して発電運転するのが一般的である。
しかしながら、屋外に設置された燃料電池システムは、一年を通してみると、例えば０℃未満から４０℃程度の外気温の中で運転しなければならない。そのため、特に冬季において夜間の停止状態から早朝に起動させようとした場合に、燃料電池システムが備える水タンクや水配管内の水が凍結し、システムの運転に支障が生じる可能性がある。
このような不具合への対処手段として、特許文献２は、燃料電池システム全体を加熱するシーズヒータを備えることを提案している。図６は、特許文献２に記載された従来技術に係る燃料電池システムの模式的な構成を示すブロック図である。図６に示す燃料電池システム１００は、筐体１０１の内部空間に板状の搭載プレート１０２を備え、該搭載プレート１０２上にはＰＥＦＣスタック１０３を含む種々の内部機器が搭載されている。搭載プレート１０２には脚部が設けられており、従って搭載プレート１０２は筐体１０１の内底面から離隔してその上方に位置している。そして、筐体１０１の内底面と搭載プレート１０２との間には、筐体１０１の内部空間を加熱するシーズヒータ１０４が配設されている。
また、凍結対策のために燃料電池システムの全体を加熱する手段を開示したものとして、特許文献３，４がある。例えば特許文献３の場合、燃料電池を収容する筐体の下部に冷却空気取り入れ用の開口が形成され、筐体内の下部に設けられたブロワを駆動することにより、開口から外気を取り込んで燃料電池へ供給する構成となっている（段落0016, 0020参照）。そして、低温時には、面状ヒータによって筐体下部を加熱することにより、筐体内全体を昇温する構成が開示されている（段落0022参照）。また、特許文献４においても、燃料電池システムの全体を加熱するための加熱手段を備えることが開示されている（例えば、請求項1参照）。
一方、燃料電池システムで使用する空気供給部としては、ダイヤフラム式の空気ポンプを採用したものがある。このようなダイヤフラム式の空気供給部については、例えば特許文献５，６がその一般的な技術を教示している。
特開２００８−８４５６４号公報 国際公開第２００９／０３４９９７号 特開２００６−１０７９４１号公報 特開２００５−３２５８５号公報 特開平２−６４２７８号公報 特開２００５−２７３４７７号公報
ここで、ダイヤフラム式の空気供給部は、構造が簡単であり、耐久性に優れ、コスト的にも安価であるといった数々のメリットを有する。しかしながら、ダイヤフラムの主材料がゴムであることから、低温環境ではダイヤフラムが硬化してしまい、空気供給部の圧送空気量が減少するなど、所望の性能を発揮できなくなる可能性がある。従って、ダイヤフラム式の空気供給部を採用した燃料電池システムの場合、これを使用できる外気温度環境が限定されてしまうこととなる。
これに対して上述した特許文献２〜４などには、加熱手段を備える燃料電池システムが開示されているが、何れも空気供給部の低温化を防止できる構成とはいえず、上記課題を解決する手段は提示されていない。また、そもそも、燃料電池システムにおいてダイヤフラム式の空気供給部を使用した場合に、低温環境において上記の課題が生じることについては、何れの文献にも開示されていない。
そこで本発明は、外気温度が低い場合であっても、ダイヤフラム式の空気供給部が所望の性能を発揮でき、安定的に発電運転を行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池システムは、外部の空気を内部空間に導入するための吸気口を有する筐体、該筐体内に収容され、燃料ガス及び酸化剤ガスを電気化学的に反応させて発電する燃料電池、前記筐体内に配置され、前記吸気口から導入された空気を取り込んで前記燃料電池へ供給するダイヤフラム式の空気供給部、及び前記筐体内に配置され、前記吸気口から前記空気供給部へ至る空間の空気を加熱する加熱部、を備えている。
このような構成とすることにより、加熱部によって加熱された空気が空気供給部へ導入されるため、空気供給部を確実に加熱することができ、空気供給部による圧送空気量の減少を抑制することができる。なお、低温環境下において圧送空気量を確保するための手段として、空気供給部の容量の大型化を図ることが考えられるが、この場合、空気供給部の寸法の大型化が避けられず、家庭に設置する燃料電池システムとしては好ましくない。これに対し、本発明に係る燃料電池システムの場合、空気供給部を大型化せずに小型の空気供給部を用いて上記課題を解決できる点においても優れている。
また、原料及び水を用いて前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置、並びに、前記燃料電池のアノードからのオフガス、カソードからのオフガス、及び前記燃料ガス生成装置からのオフガスのうち、少なくとも１のオフガスから凝縮水を回収する凝縮水回収路と該凝縮水を蓄える水タンクとを有する水回路、を更に備え、前記加熱部は、前記水回路の少なくとも一部を加熱するよう配置されていてもよい。
このような構成とすることにより、空気供給部へ導入する空気を加熱しつつ、水回路内の水の凍結を防止（あるいは、解凍）することができる。即ち、空気供給部のダイヤフラムの硬化と水回路内の水の凍結とは、何れも低温環境という共通する状況で生じる事態であるため、加熱部として共用することにより、効率的に何れの事態にも対処することができる。
また、前記加熱部によって加熱される前記水回路の一部は、前記吸気口から前記空気供給部へ至る空間内に配置されていてもよい。
このような構成とすることにより、水回路をより確実に加熱することができ、水回路内の水の凍結防止をより確実に実現することができる。
また、前記筐体の内部空間を上側空間及び下側空間に仕切ると共に、前記両空間の間を連通する連通口を有する仕切り板を更に備え、前記上側空間には前記燃料電池及び前記空気供給部が配設され、該空気供給部は前記連通口を介して前記下側空間に連通しており、前記下側空間は、前記吸気口から導入された空気が前記連通口へ至る間に通る空気導入空間を成しており、前記加熱部は該空気導入空間に配設されていてもよい。
このような構成とすることにより、筐体全体の容積より小さい空気導入空間内の空気を、効率的に加熱することができ、更に、この加熱した空気を空気供給部へと導入することができる。従って、加熱部によって加熱した空気を、より確実に空気供給部へと導入することができるため、低温環境下での使用時であってもダイヤフラムの硬化を適切に防止することができる。また、空気供給部は、仕切り板で仕切られた上側空間に配設されているため、筐体の接地面に対しては空気導入空間を挟んで位置することとなる。そのため、空気導入空間が断熱層を成し、空気供給部自体の熱が低温の接地面に奪われるのを抑制し、空気供給部の低温化を抑制することができる。
なお、このような仕切り板としては、１枚の板部材によって構成してもよいし、２枚以上の複数の板部材を用いて構成してもよい。また、仕切り板全体が平坦である必要はなく、多段状に構成されていてもよい。更に、仕切り板は、上側空間と下側空間とを連通口を除いて気密的に仕切る必要はなく、連通口以外にも貫通孔や隙間を有していてもよい。このように仕切り板は、最低限の条件として、該仕切り板を境界にして筐体の内部空間を上側空間と下側空間とに区分けできるものであればよい。
また、原料及び水を用いて前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置、並びに、前記燃料電池のアノードからのオフガス、カソードからのオフガス、及び前記燃料ガス生成装置からのオフガスのうち、少なくとも１のオフガスから凝縮水を回収する凝縮水回収路と該凝縮水を蓄えるべく前記上側空間に配設された水タンクとを有する水回路、を更に備え、前記水回路の少なくとも一部は、前記空気導入空間に露出していてもよい。
このような構成とすることにより、空気供給部へ導入する空気を加熱してダイヤフラムの硬化を防止しつつ、水回路内の水の凍結を防止（あるいは、解凍）することができる。また、これに加えて、加熱部によって加熱した空気をより確実に空気供給部へと導入することができ、空気導入空間の断熱作用により、空気供給部の低温化を抑制することも可能である。
また、原料及び水を用いて前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置、並びに、前記燃料電池のアノードからのオフガス、カソードからのオフガス、及び前記燃料ガス生成装置からのオフガスのうち、少なくとも１のオフガスから凝縮水を回収する凝縮水回収路と該凝縮水を蓄えるべく前記上側空間に配設された水タンクとを有する水回路、を更に備え、前記仕切り板は、前記加熱部で加熱された前記空気導入空間内の空気を、前記上側空間に位置する前記水回路の少なくとも一部に対して供給すべく、前記上側空間及び前記空気導入空間の間を連通する貫通部を有していてもよい。
このような構成とすることにより、仕切り板の貫通部を介して、空気導入空間内で加熱された空気を、水回路へ供給することができる。そのため、空気供給部へ導入する空気の加熱と共に、水回路の加熱をも行うことができる。なお、このような貫通部としては、仕切り板を貫通する孔状のものを採用することができ、その他、仕切り板を複数枚の板状部材で構成した場合には、隣接する板状部材の間に隙間を設け、この隙間を貫通部としてもよい。
また、前記仕切り板が有する前記連通口から前記空気供給部へ至る空気導入路と、該空気導入路の途中に設けられて異物を捕捉するフィルタとを備えていてもよい。
このような構成とすることにより、フィルタの熱容量を活用して、空気供給部の低温化を抑制することができる。即ち、空気導入路の途中に設けられたフィルタは、加熱部により加熱された空気が空気供給部へ導入される過程で加熱される。フィルタは一定の熱容量を有するため、該熱容量に応じて熱量を保持することができる。従って、フィルタが加熱された後は、該フィルタが有する熱量によっても空気を加熱することができるため、空気供給部へ導入される空気の低温化を抑制することができる。
また、前記加熱部の動作を制御する制御部を備え、該制御部は、前記空気供給部の運転開始に先がけて前記加熱部による空気の加熱を実行することとしてもよい。
このような構成とすることにより、空気供給部へ導入する空気を予め暖めておくので、空気供給部のダイヤフラムが低温の空気によって硬化するのを確実に防止することができる。
また、前記加熱部の動作を制御する制御部、及び、前記空気供給部へ供給される空気の温度を検出する温度センサを備え、前記制御部は、前記温度センサにより検出した、前記空気供給部への供給用の空気の温度が所定値未満の場合に、前記加熱部による空気の加熱を実行することとしてもよい。
このような構成とすることにより、空気供給部へ導入される空気が低温の場合に、加熱部を駆動して空気を加熱するため、空気供給部のダイヤフラムが低温の空気によって硬化するのをより確実に防止することができる。また、導入空気が所定値以上であれば、加熱部を駆動しないため、省消費電力化を図ることができる。なお、温度に関する上記所定値としては、空気温度の低下（即ち、ダイヤフラムの硬化）に起因するポンプ性能の低下という観点に基づき、許容し得る最低限のポンプ性能に対応する空気温度を採用することができる。より具体的には、０℃〜１０℃の範囲に含まれる値を所定値として選択することができ、更には、３℃〜５℃の範囲に含まれる値を選択することがより好ましい。
また、前記加熱部の動作を制御する制御部を備え、該制御部は、前記燃料電池の発電運転中に、前記燃料電池の発電量又は前記空気供給部による空気の供給量を取得し、取得した値が大きいほど、前記加熱部による加熱時に空気へ与える熱量を大きくするよう制御することとしてもよい。
発電量の増加に伴って空気供給部への導入空気量も増加するため、上記のような構成とすることにより、空気供給部への導入空気量に応じて、適切な熱量を発生させて導入空気を適温に調整することができる。従って、大量に空気が導入される場合であっても確実にその空気を加熱してダイヤフラムの硬化を防止する一方、空気の導入量が少ない場合には、過剰な加熱を防止して省消費電力化を図ることができる。
本発明に係る燃料電池システムによれば、加熱部によって加熱された空気がダイヤフラム式の空気供給部へ導入されるため、該空気供給部のダイヤフラムを確実に加熱することができ、ダイヤフラムの硬化による圧送空気量の減少を抑制することができる。
本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。 待機状態にある燃料電池システムの起動時に行う加熱部の動作態様と、これに関連する他の状態変化とを示すタイムチャートである。 燃料電池システムの他の動作態様を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。 従来技術に係る燃料電池システムの模式的な構成を示すブロック図である。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、これらの実施の形態によって限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。本実施の形態に係る燃料電池システム１Ａは、家庭や各種施設の自家発電装置として使用することができるものである。図１に示すように、該システム１Ａは、金属板から成り互いに対向する第１側壁２ａ及び第２側壁２ｂと底壁２ｃとを少なくとも有する筐体２を備えており、本実施の形態では、筐体２の典型例として縦長の直方体形状を成すものを例示している。
筐体２の内部空間は、仕切り板３によって上側空間２ｕと下側空間２ｄとに区分けされている。仕切り板３は、筐体２の底壁２ｃに対して比較的近くに設けられているため、上側空間２ｕの方が下側空間２ｄよりも広い空間となっている。そして、上側空間２ｕには、燃料電池４、燃料ガス生成装置５、ダイヤフラム式の空気供給部６、インバータ７、水タンク８、及びその他の構成部品９などが収容され、下側空間２ｄには加熱部３０などが収容されている。
上側空間２ｕに設けられた燃料電池装置４は、水素製造用の原料を用いて発電を行うものであり、複数の電池セルが積層された構成となっている。各電池セルは、アノード極とカソード極とこれらの極間に挟まれる固体高分子電解質とで構成されている。また、隣接する電池セル間にはセパレータが介装されている。このような燃料電池４にて発電に用いられる原料としては、炭化水素類、アルコール類、エーテル類など、分子中に炭素及び水素を有する化合物を採用することができる。なお、工業用又は民生用の原料として入手できるものの好ましい例としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）などが挙げられる。更には、石油から得られるガソリン、ナフサ、灯油、軽油などの炭化水素油も採用することができる。
燃料ガス生成装置５はバーナ５ａを備え、上側空間２ｕ内に設けられた燃料昇圧ブロワ１０により圧送される原料を、水蒸気改質反応により改質し、水素を含有する燃料ガスを生成する。生成された燃料ガスは、配管を通じて燃料電池４のアノード極へと供給される。
一方、燃料電池４のカソード極へは、空気供給部６から配管を通じて空気が供給される。この空気供給部６はダイヤフラム式であり、気密性を有するケーシング内に、主成分をゴムとするダイヤフラム６ａと、該ダイヤフラム６ａを駆動してケーシング内の容積を変動させる駆動部６ｂとを備えた構成となっている。より具体的には、空気供給部６は、２つの空間をそれぞれ画定する２枚のダイヤフラム６ａを有し、該ダイヤフラム６ａを、電磁石の作用により往復動するロッドの各端部に接続した構成を採用することができる。このような空気供給部６は、ロッドを往復動させることで、一方の空間へ吸気する間に他方の空間から排気するという動作を交互に繰り返し、連続的に空気を圧送できる機能を備えている。なお、ダイヤフラム式の空気供給部６は、上記ダイヤフラム６ａ及び駆動部６ｂを備えていればその他の構成は特に限定されず、公知のものを採用することができる。
燃料電池４は、上記の燃料ガス生成装置５及び空気供給部６からそれぞれ供給された燃料ガス及び空気を用い、電気化学的な反応を行って発電する。発電された直流電力は、インバータ７により、例えば商用電力系統と同様の周波数を有する交流電力に変換され、家庭内の電力負荷へ供給される。
水タンク８は、所定容積を有する貯水槽であり、発電運転時に燃料電池４のアノード極から排出されるオフガス、カソード極から排出されるオフガス、及び燃料ガス生成装置５から排出される燃焼排ガスから、凝縮水を回収する。このために、水タンク８と燃料電池４及び燃料ガス生成装置５との間は、配管１１ａ，１１ｂで接続されている。
また、水タンク８に回収された凝縮水は、本システム１Ａ内を循環し、各部にて様々な用途に利用される。例えば、水タンク８内の水は、配管１１ｃを通じて各電池セル間のセパレータへと供給され、発電時に発熱する燃料電池４を冷却する。燃料電池４を冷却して高温になった水は、配管１１ｄを通じて他の構成部品９へ供給される。構成部品９には熱交換器（図示せず）が含まれており、該熱交換器は、供給された高温水から熱を回収して家庭で使用されるお湯を生成する。そして、熱交換器を経た水は、配管１１ｅを通じて水タンク８へと再び回収される。
更に、水タンク８内の水は、配管１１ｆを通じて燃料ガス生成装置５へも供給され、ここでは、原料から燃料ガスを生成する改質反応を行うための改質水として利用される。なお、配管１１ｆの途中には改質水ポンプ１２が設けられており、この改質水ポンプ１２の駆動により、改質水の供給量が適宜調整される。
上記のように本システム１Ａでは、回収した凝縮水を冷却水又は改質水として利用し、それらを再び回収する構成となっている。そして、このような水の循環利用を実現するために、上述した水タンク８及び配管１１ａ〜１１ｆによって水回路２０が構成されている。なお、燃料電池４へ供給する冷却水を純水化するため、水回路２０の適宜位置にイオン交換樹脂（図示せず）が備えられている。また、水回路２０内を流れる水量を調整するために、上記改質水ポンプ１２以外にもポンプやバルブなどを適宜設けてもよい。更に、水タンク８内の貯水量を調整すべく、システム外から給水可能とし、システム外へ排水可能としてもよい。
一方、仕切り板３で区分けされた下側空間２ｄは、外部から取り込んだ空気を空気供給部６へ導入するための外気導入空間を成し、該外気導入空間内に加熱部３０が配設されている。以下、下側空間２ｄを適宜「外気導入空間２ｄ」とも称する。
より具体的に説明すると、筐体２の第１側壁２ａにおいて、外気導入空間２ｄを画定する部分には内外を連通させる吸気口３１が形成されている。また、仕切り板３には、上側空間２ｕと外気導入空間（下側空間）２ｄとの間を連通する連通口３２が形成され、該連通口３２から上側空間２ｕ内の空気供給部６へは、配管により空気導入路１３が形成されている。従って、空気供給部６が駆動するとその内部に負圧が生じ、吸気口３１、外気導入空間２ｄ、連通口３２、及び外気導入路１３を通じて空気供給部６へと外気が導入されるようになっている。
また、外気導入空間２ｄ内であって吸気口３１の近傍（本実施の形態では筐体２の第１側壁２ａの内壁面）には、温度センサ３３が設けられており、吸気口３１から取り込まれた外気の温度を検出可能になっている。更に、外気導入空間２ｄ内の吸気口３１の近傍における筐体２の底壁２ｃ上には、例えばシーズヒータなどから成る加熱部３０が配設されている。
ところで、筐体２内を区分けする仕切り板３は、１枚の板部材で構成するものに限らず、複数枚の板部材で構成してもよい。本実施の形態に係る仕切り板３は、第１側壁２ａに近接する第１仕切り板３ａと、第２側壁２ｂに近接する第２仕切り板３ｂとで構成されたものを例示している。そして、上述した水タンク８は、第２側壁２ｂよりも第１側壁２ａに近接するように第１仕切り板３ａ上に載置され、空気供給部６は、第１側壁２ａよりも第２側壁２ｂに近接するように第２仕切り板３ｂ上に載置されている。換言すれば、吸気口３１が存在する第１側壁２ａ寄りの位置には、加熱部３０の上方位置に水タンク８が配設され、該水タンク８から離隔した第２側壁２ｂ寄りの位置に空気供給部６が配設されている。なお、上述した連通口３２は、第２仕切り板３ｂにおける空気供給部６の近傍に形成されている。
また、第１仕切り板３ａにおける水タンク８の近傍には貫通口３４が形成され、第１仕切り板３ａと第２仕切り板３ｂとの間には隙間３５が設けられている。これら貫通口３４及び隙間３５は、上側空間２ｕと外気導入空間（下側空間）２ｄとの間を貫通する貫通部３６を成し、外気導入空間２ｄから上側空間２ｕへの空気の移動を可能としている。なお、図１に示す構成では、仕切り板３として第１仕切り板３ａ及び第２仕切り板３ｂの他に、第３仕切り板３ｃが上側空間２ｕ内の第１側壁２ａから水平に突設され、そこには上述した構成部品９が載置されている。
本実施の形態に係る燃料電池システム１Ａは、上記構成の他に制御部４０を備えている。そして、燃料ガス生成装置５、空気供給部６、インバータ７、及び加熱部３０を含む各部の動作は制御部４０から出力される信号によって制御され、温度センサ３３を含む各部からの信号は制御部４０へ入力されるようになっている。
（システムの動作例１）
次に、このような燃料電池システム１Ａの動作について説明する。
燃料電池システム１Ａは、より長い期間（例えば１０年）の使用を可能とするため、タイマにより、家庭等のシステム設置施設での電力消費量及びお湯の使用量が少ない時間帯（例えば、夜間）は、停止した待機状態とされる。そして、電力消費量及びお湯の使用量が増加する朝に燃料電池システム１Ａは起動され、発電及び給湯が再開される。このように待機状態と起動及び運転状態とを繰り返すのが、燃料電池システム１Ａの一般的な使用態様である。
しかし、特に寒冷地方の冬季の夜間の場合、大気温度が氷点下になることもあり、夜間に燃料電池システム１Ａを待機状態にすると、筐体２近傍の空気も氷点下（例えば、−１０℃）になることがある。そこで本実施の形態に係る燃料電池システム１Ａでは、水が凍結する可能性のある温度（例えば４℃未満）を温度センサ３３が検知した場合に、制御部４０が加熱部３０への通電を実行することとしている。これにより、燃料電池システム１Ａの構成部品、水タンク８、水回路２０などを加熱して各部の凍結を防止すると共に、外気導入空間２ｄ内の空気を昇温して、空気供給部６へ導入される空気を暖め、ダイヤフラム６ａの硬化を防止する。また、仕切り板３には貫通部３６が形成されているため、外気導入空間２ｄにて暖められた空気は、貫通部３６を通じて上側空間２ｕへも送られ、該上側空間２ｕ内で自然対流して筐体２内の全体を加熱することができる。
このような加熱部３０への通電の開始は、燃料電池システム１Ａが待機状態にある期間中も含めて全状態において行ってもよいし、少なくとも、待機状態から起動を開始する際に行うようにするのが好ましい。
図２は、待機状態にある燃料電池システム１Ａの起動時に行う加熱部３０の動作態様と、これに関連する他の状態変化とを示すタイムチャートである。図２のチャート１に示すように、時刻ｔ１に至るまでの期間、燃料電池システム１Ａは待機状態であってダイヤフラム式の空気供給部６はオフ（停止）となっており、チャート２に示すように温度センサ３３が検出する空気の温度は、水が凍結する可能性のある低い温度Ｔａ（例えば−２℃）となっている。また、この間、チャート３に示すように加熱部３０はオフ（停止）になっている。
時刻ｔ１に、例えば燃料電池システム１Ａを起動させる制御入力があると、制御部４０は加熱部３０をオフからオンへと切り換えられる（チャート３参照）。その結果、時刻ｔ１以降は時間の経過に伴って空気の温度がＴａから上昇していく（チャート２参照）。時刻ｔ２に、空気の温度が、水が凍結しないであろう下限の温度Ｔｂ（例えば４℃）に達すると（チャート２参照）、制御部４０は空気供給部６の駆動を開始させる。即ち、空気供給部６をオフからオン（作動）に切り換える（チャート１参照）。
換言すれば、燃料電池システム１Ａの起動命令があった場合であっても、温度センサ３３が検出する空気の温度がＴｂ未満の場合には空気供給部６は駆動させず、Ｔｂ以上になってから駆動させる。従って、チャート４に示すように、空気供給部６に対する低温空気の導入が防止され、比較的暖かい温度Ｔｂ以上の空気が導入されるようになっており、ダイヤフラムの硬化による弊害を防止している。
時刻ｔ２以降も加熱部３０はオン状態に維持され、検出温度はＴｂから更に上昇する。そして時刻ｔ３に、検出温度が、水が凍結するおそれのない所定の閾値である温度Ｔｃ（例えば１０℃）に達すると（チャート２参照）、制御部４０は加熱部３０をオンからオフに切り換えて停止させる（チャート３参照）。これにより、過剰な温度上昇を防止して省消費電力化を図っている。また、加熱部３０が停止すると、外気導入空間２ｄへの外気の導入に伴って検出温度は次第に低下していく（チャート２参照）。そして時刻ｔ４に検出温度が再びＴｂに達すると、それ以上の温度低下を防止すべく加熱部３０がオフからオンに切り換えられ、再び空気が加熱される。これ以降、時刻ｔ２〜ｔ４間と同様に加熱部３０の動作制御と空気の温度変化とが繰り返される。
以上に説明したような、温度センサ３３の検出温度に基づく加熱部３０の動作制御により、外気導入空間２ｄに取り込まれた空気をＴｂ〜Ｔｃの範囲の適温とし、この空気を空気供給部６へ導入することができる。従って、時刻ｔ２以降は、空気供給部６へ適温空気を導入でき、ダイヤフラムの硬化、及びこれに伴う空気供給能力の低下を防止することができる。また、空気供給能力の低下を補うための、空気供給部６への供給電力量の増大や空気供給部６の大容量化といった手段を講じる必要がないため、省消費電力化、低コスト化、及び省スペース化を図ることができる。
また、外気導入空間２ｄにおいて適温とされた空気は、貫通部３６（貫通口３４及び隙間３５）を通じて上側空間２ｕへも供給され、水回路２０（水タンク８及び配管１１ａ〜１１ｆ）や他の機器を含む、筐体２内の全体を暖めることができる。特に、水タンク８は加熱部３０の直上に設けられているため、水タンク８内の水の凍結を効率的に防止することができる。また、図１に示すように、外気導入空間（下側空間）２ｄは、外界と上側空間２ｕとの間にあって一種の断熱空間を成している。従って、空気供給部６の熱量が、筐体２の設置面（地面など）に奪われるのを抑制でき、空気供給部６の温度低下を抑制することができる。
なお、空気供給部６がオンとなる時刻ｔ２以降であれば、その他の必要条件が整い次第、燃料電池システム１Ａを発電状態へと移行することが可能である。また、図２では、待機状態（時刻ｔ１より前）において加熱部３０を駆動しない態様を例示したが、これに限られない。例えば、待機状態においても、図２の時刻ｔ２〜ｔ４に示したように温度センサ３３の検出温度に基づいて加熱部３０の動作を制御し、外気導入空間２ｄ内の空気の温度を、常に温度Ｔｂ〜Ｔｃの範囲に維持するようにしてもよい。このようにすれば、待機状態から起動状態を経て発電状態へと、燃料電池システム１Ａを円滑に移行することができる。
また、加熱部３０をオンに切り換える基準温度Ｔｂ及びオフに切り換える基準温度Ｔｃは適宜設定することができ、例えば、温度Ｔｂとしては０℃〜１０℃の範囲の値を選択することができ、より好ましくは３℃〜５℃の範囲の値を選択することができる。また、温度Ｔｃとしては、好ましくは８℃〜１２℃の範囲の値を選択することができる。
ところで、図１に示す燃料電池システム１Ａにおいては、仕切り板３ａに設けた貫通口３４を水タンク８の直下に位置させているが、これに限られない。外気導入空間２ｄ内で暖められた空気を上側空間２ｕへ供給して水タンク８を暖める目的に沿う態様であれば、水タンク８の直下以外の近傍位置や他の適宜の位置に、貫通口３４や隙間３５を設けることとしてもよい。また、図１では、仕切り板３に対して直接的に空気供給部６や水タンク８を載置させた構成を例示しているが、仕切り板３の上に適宜寸法のスペーサを配置し、該スペーサを介して空気供給部６や水タンク８を載置することとしてもよい。
（システムの動作例２）
燃料電池システム１Ａは、燃料電池４の発電量に応じて燃料ガス及び空気の供給量を変更する。即ち、燃料電池４での発電量が大きいほど、燃料ガス及び空気の供給量も増加させ、発電量が小さいほど供給量を減少させる。ここで、外気温度が低い場合に、発電量の増加に伴って空気の供給量が増加すると、供給される低温の空気によりシステム１Ａから奪われる熱量が増加するため、空気供給器６のダイヤフラム６ａが低温化して硬化しやすくなる。そこで、本実施の形態に係る燃料電池システム１Ａは、発電量又は空気の供給量に応じて、加熱部３０での発生熱量を増減するようにしている。このようなシステム１Ａの動作態様について、より具体的に説明する。
図３は、燃料電池システム１Ａの他の動作態様を示すフローチャートであり、発電量に応じて加熱部３０での発生熱量を調整する場合のシステム１Ａの動作態様を示している。この図３に示すように、制御部４０は適宜のタイミングで温度センサ３３の検出温度を取得し（ステップＳ１）、外気温度が所定の温度Ｔｂ（例えば４℃）未満であるか否かを判定する（ステップＳ２）。外気温度が温度Ｔｂ以上であれば（ステップＳ２：ＮＯ）、加熱部３０を駆動する必要がなく、ステップＳ１からの動作を繰り返す。一方、外気温度が温度Ｔｂ未満である（ステップＳ２：ＹＥＳ）と判定した場合には、加熱部３０をオフからオンに切り換え（ステップＳ３）、続いて燃料電池４での発電量を検出する（ステップＳ４）。
その結果、発電量が２５０Ｗ未満、２５０Ｗ以上５００Ｗ未満、５００Ｗ以上１０００Ｗ以下の何れの範囲に属するかを判定し、属する範囲に対応して加熱部３０の運転率を決定する（ステップＳ５〜Ｓ１０）。即ち、発電量が大きい場合であるほど、加熱部３０の運転率を高くして動作させるようにする。
具体的には、発電量が２５０Ｗ未満である（ステップＳ５：ＹＥＳ）と判定した場合は、加熱部３０の運転率（駆動信号が周期性を有する場合であれば、そのデューティー比）を２５％にセットし（ステップＳ６）、この運転率で加熱部３０を動作させる。発電量が２５０Ｗ未満ではない（ステップＳ５：ＮＯ）と判定した場合は、２５０Ｗ以上５００Ｗ未満の範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ７）。そして、この範囲内である（ステップＳ７：ＹＥＳ）と判定した場合は、加熱部３０の運転率を５０％にセットし（ステップＳ８）、この運転率で加熱部３０を動作させる。更に、発電量がこの範囲内の値でもない（ステップＳ７：ＮＯ）と判定した場合は、５００Ｗ以上１０００Ｗ以下の範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ９）。そして、この範囲内である（ステップＳ９：ＹＥＳ）と判定した場合は、加熱部３０を運転率１００％にセットし（ステップＳ１０）、この運転率で加熱部３０を動作させ、この範囲内でもない（ステップＳ９：ＮＯ）と判定した場合には、判定ミスの可能性があるため、ステップＳ５からの処理を繰り返す。
このようにして発電量に応じた運転率での加熱部３０の動作を開始した後、改めて外気温度を検出し（ステップＳ１１）、検出温度が所定の温度Ｔｃ（例えば１０℃）以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。その結果、外気温度が温度Ｔｃ未満であれば（ステップＳ１２：ＮＯ）、ステップＳ４以降の動作を繰り返すことで、時間の経過と共に変動する発電量に応じた運転率での加熱部３０の動作を実行する。一方、外気温度が温度Ｔｃ以上である（ステップＳ１２：ＹＥＳ）と判定した場合には、加熱部３０をオンからオフに切り換えて停止させる（ステップＳ１３）。
以上のように、燃料電池システム１Ａは、発電量に応じて加熱部３０での発生熱量を増減させるため、発電量が増加した場合には、導入される空気量の増加に伴ってダイヤフラム６ａの温度が低下するのを防止し、発電量が減少した場合には、導入される空気を過剰に加熱してエネルギーが浪費されるのを防止することができる。
なお、上述したような動作フローは、燃料電池４が既に発電を行う発電状態になっている最中において実行可能であり、あるいは、燃料電池４が未だに発電を行っていない起動状態に実行を開始することも可能である。燃料電池４の未発電状態にステップＳ１からの処理が実行された場合には、少なくともステップＳ４の処理前に燃料電池４が発電状態に移行していればよい。
また、図３に示すフローチャートにおいて、ステップＳ４で検出した発電量が、ステップＳ５，Ｓ７，Ｓ９の何れの処理においても対応する範囲に属しないと判定された場合（ステップＳ９：ＮＯ）は、再びステップＳ５からの処理を実行するのに換えて、発電量を検出するステップＳ４からの処理を実行するようにしてもよい。この場合には、発電量の誤検出があった場合に、正確な発電量を用いてステップＳ５以降の処理をやり直すことができる。
また、図２の場合と同様に、図３に示す動作態様においても、加熱部３０をオンに切り換える基準温度Ｔｂ及びオフに切り換える基準温度Ｔｃは適宜設定することができる。例えば、温度Ｔｂとしては０℃〜１０℃の範囲の値を選択することができ、より好ましくは３℃〜５℃の範囲の値を選択することができる。また、温度Ｔｃとしては、好ましくは８℃〜１２℃の範囲の値を選択することができる。
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１Ｂの構成を示す模式図である。この図４に示す燃料電池システム１Ｂは、図１に示した燃料電池システム１Ａと比べると、空気導入路１３の途中にフィルタ１５が備えられている点が異なり、他は同様の構成となっている。従って、以下では主に相違する構成について説明し、図１に示した燃料電池システム１Ａと同様の構成についての詳細な説明は省略する。
より詳しく説明すると、図４に示すようにフィルタ１５は、第２仕切り板３ｂの上面であって連通口３２に対応する部分に載置され、第１側壁２ａよりも第２側壁２ｂの近くに位置している。フィルタ１５は、その入口（図示せず）が連通口３２に接続され、その出口と空気供給部６との間が配管によって接続されている。このようなフィルタ１５は、空気供給部６の駆動に伴い、外気導入空間（下側空間）２ｄから連通口３２を経た空気を取り込み、該空気中の異物を捕捉する。そして、異物が除去された空気は、フィルタ１５から配管を通じて空気供給部６へと送られる。
ところで、空気導入路１３を、連通口３２と空気供給部６とを単に配管で接続した構成と、これに対してフィルタ１５を追加した構成とを比べると、フィルタ１５を備える分だけ後者の方が大きな熱容量を有する。しかも、フィルタ１５が果たす空気中からの異物除去という機能から当然に理解されるように、フィルタ１５は、通過する空気に対して大きな接触面積を有する。そのため、フィルタ１５は、通過する空気との間で熱交換を行い、大きい熱量を獲得することとなる。また、本実施の形態ではフィルタ１５を仕切り板３上に載置しているため、加熱部３０により仕切り板３が加熱されると、仕切り板３を伝ってフィルタ１５をも加熱することができる。
このように、フィルタ１５は、加熱部３０が発生する熱量を蓄熱することができるため、空気供給部６へ導入される空気の温度変化を緩和することができる。即ち、吸気口３１は加熱部３０の上流側に位置し、その吸気口３１の近傍に温度センサ３３が設けられているため、加熱部３０が停止すると温度センサ３３の検出温度は急激に低下する。一方、ダイヤフラム式の空気供給部６へ供給される空気は、その上流側にてフィルタ１５を経てから供給される。フィルタ１５を備える空気導入路１３は熱容量が比較的大きく、加熱部３０が停止した状態であっても、フィルタ１５を通過する空気を暖めることができる。
従って、加熱部３０が停止して導入空気の温度が急激に低下する場合であっても、フィルタ１５での加温により、空気供給部６への導入空気の温度低下を緩和することができる。また、加熱部３０が動作して空気を加熱する場合には、空気導入空間２ｄ内で加熱された空気からフィルタ１５が一部の熱を奪うこととなる。そのため、加熱部３０が動作して導入空間の温度が急激に上昇する場合であっても、フィルタ１５での熱交換により、空気供給部６への導入空気の温度上昇を緩和することができる。
このように、フィルタ１５の設置によって空気導入路１３の熱容量が増加することにより、加熱部３０のオン及びオフに伴う空気供給部６への導入空気の温度変化を緩和することができる。図２のチャート４の右エリアに、フィルタ１５を備える場合（太実線）と備えない場合（細実線）の、空気供給部６への導入空気の温度変化を夫々示している。このチャート４に示すように、フィルタ１５を備える場合は、備えない場合に比べると、空気供給部６へ導入される空気の温度変化が緩和されていることが分かる。また、フィルタ１５を備える場合には、温度Ｔｂ〜Ｔｃの範囲の中央値近傍で増減変化するため、低温空気によるダイヤフラム６ａの硬化をより確実に防止することができる。
なお、このようなフィルタ１５の構成は特に限定されず、主に空気中の異物を除去するという機能を発揮できるものであればよい。例えば、フィルタケースと濾過部材とを有するフィルタ１５であれば、フィルタケースとして、ポリプロピレン、ポリエチレン、ＡＢＳ樹脂、ウレタン樹脂などの材料で形成されたものを採用することができる。このようなものであれば、家庭用の燃料電池システム１Ｂに使用されるフィルタ１５の場合、その全体重量が１００ｇ〜３００ｇ程度になると考えられるため、フィルタ１５が大きな熱容量を有する蓄熱部となることを期待することができる。
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム１Ｃの構成を示す模式図である。この図５に示す燃料電池システム１Ｃは、図４に示した燃料電池システム１Ｂと比べると、水回路２０を構成する配管１１ａの一部が、仕切り板３を超えて上側空間２ｕから外気導入空間（下側空間）２ｄへと侵入した構成となっている。換言すれば、配管１１ａの一部が外気導入空間２ｄ内に露出した構成となっている。なお、その他の構成については、図４に示した燃料電池システム１Ｂの対応する構成と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
このような構成により、配管１１ａにおいて外気導入空間２ｄ内に露出した部分は、加熱部３０によって加熱されるため、水回路２０内の水の凍結を防止することができる。なお、図５に示す例では、配管１１ａの一部が加熱部３０の近傍を通るように該配管１１ａのルートを設定しているため、加熱部３０によって配管１１ａの一部をより効率的に加熱することができる。また、図５に示す例では、配管１１ａの一部が加熱部３０の下流側（外気の流れる方向の下流側）に位置している。従って、通流する空気を媒体にして、加熱部３０が発生する熱量を、該加熱部３０の下流側に位置する配管１１ａの一部に効率的に伝達することができる。
なお、本実施の形態では配管１１ａの一部を外気導入空間２ｄ内に露出させる構成を例示したが、これに限られない。即ち、水回路２０の一部を外気導入空間２ｄ内に露出させ、その露出部分を加熱できる構成とすればよい。このような水回路２０の一部としては、例えばアノード極又はカソード極からのオフガスから凝縮水を水タンク８へ回収するための配管１１ａの他、燃料ガス生成装置５のバーナ５ａからの燃焼排ガスから凝縮水を水タンク８へ回収するための配管１１ｂ、及び、水タンク８の一部（例えば底部）のうち、１又は複数を採用することができる。
ところで、上記の燃料電池システム１Ａ〜１Ｃでは、筐体２の内部空間を上側空間２ｕ及び下側空間２ｄに実質的に区分けする仕切り板３として、第１仕切り板３ａ及び第２仕切り板３ｂの２枚で構成されたものを例示した。しかしながら、仕切り板３を３枚以上の板部材を用いて構成してもよいし、複数枚の板部材を互いに段差を有するように配置して仕切り板３を構成してもよい。段状に仕切り板３を構成する場合には、外気を取り込む吸気口３１は、最も下方に位置する板部材より更に下方に設けることが好ましい。
本発明は、ダイヤフラム式の空気供給部を備える燃料電池システムに対して好適に適用することができる。
１Ａ〜１Ｃ 燃料電池システム
２ 筐体
２ｄ 下側空間（外気導入空間）
２ｕ 上側空間
３ 仕切り板
４ 燃料電池
５ 燃料ガス生成装置
６ ダイヤフラム式空気供給部
６ａ ダイヤフラム
７ インバータ
８ 水タンク
１３ 空気導入路
１５ フィルタ
２０ 水回路
３０ 加熱部
３１ 吸気口
３２ 連通口
３３ 温度センサ
３６ 貫通部
４０ 制御部

Claims (6)

  1. 外部の空気を内部空間に導入するための吸気口を有する筐体、
    該筐体内に収容され、燃料ガス及び酸化剤ガスを電気化学的に反応させて発電する燃料電池、
    前記筐体内に配置され、前記吸気口から導入された空気を取り込んで前記燃料電池へ供給するダイヤフラム式の空気供給部、
    前記筐体内に配置され、前記吸気口から前記空気供給部へ至る空間の空気を加熱する加熱部、
    前記筐体の内部空間を上側空間及び下側空間に仕切ると共に、前記両空間の間を連通する連通口を有する仕切り板、
    原料及び水を用いて前記燃料電池に供給する燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置、並びに、
    前記燃料電池のアノードからのオフガス、カソードからのオフガス、及び前記燃料ガス生成装置からのオフガスのうち、少なくとも１のオフガスから凝縮水を回収する凝縮水回収路と該凝縮水を蓄えるべく前記上側空間に配設された水タンクとを有する水回路、
    を備え、
    前記上側空間には前記燃料電池、前記燃料ガス生成装置、及び前記空気供給部が配設され、該空気供給部は前記連通口を介して前記下側空間に連通しており、
    前記下側空間は、前記吸気口から導入された空気が前記連通口へ至る間に通る空気導入空間を成しており、
    前記加熱部は該空気導入空間に配設され、
    前記仕切り板は、前記加熱部で加熱された前記空気導入空間内の空気を、前記上側空間に位置する前記水回路の少なくとも一部に対して供給すべく、前記上側空間及び前記空気導入空間の間を連通する貫通部を有する、燃料電池システム。
  2. 前記水回路の少なくとも一部は、前記空気導入空間に露出している、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記仕切り板が有する前記連通口から前記空気供給部へ至る空気導入路と、該空気導入路の途中に設けられて異物を捕捉するフィルタとを備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記加熱部の動作を制御する制御部を備え、
    該制御部は、前記空気供給部の運転開始に先がけて前記加熱部による空気の加熱を実行する、請求項１〜３の何れかに記載の燃料電池システム。
  5. 前記加熱部の動作を制御する制御部、及び、前記空気供給部へ供給される空気の温度を検出する温度センサを備え、
    前記制御部は、前記温度センサにより検出した、前記空気供給部への供給用の空気の温度が所定値未満の場合に、前記加熱部による空気の加熱を実行する、請求項１〜４の何れかに記載の燃料電池システム。
  6. 前記加熱部の動作を制御する制御部を備え、
    該制御部は、前記燃料電池の発電運転中に、前記燃料電池の発電量又は前記空気供給部による空気の供給量を取得し、取得した値が大きいほど、前記加熱部による加熱時に空気へ与える熱量を大きくするよう制御する、請求項１〜５の何れかに記載の燃料電池システム。
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